한·미 핵융합 공동연구를 통해 핵융합로 핵심 기술 확보

다음은 대한민국 정부 부처 보도자료를 바탕으로 작성된 상세하고 포괄적인 요약입니다.

한·미 핵융합 공동연구를 통한 핵융합로 핵심 기술 확보 보도자료 요약

1. 핵심 요약

2025년 8월 6일, 과학기술정보통신부는 한국과 미국이 ‘한국의 인공 태양’으로 불리는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 활용한 공동연구를 통해 핵융합에너지 상용화의 핵심 과제인 플라즈마 운전 안정성 기술을 확보했다고 발표했습니다. 특히, 핵융합로 내벽으로부터 나오는 텅스텐 불순물의 생성을 붕소(Boron) 분말 주입으로 억제하는 현상을 세계 최초로 관측하여 노심 플라즈마의 안정적인 제어 가능성을 입증했습니다. 이 획기적인 연구 결과는 국제 핵융합 분야 권위지인 『Nuclear Fusion』 8월호에 게재되며 학계의 인정을 받았으며, 이는 핵융합 국제 공동연구에서 한국의 주도적 역할을 강화하는 중요한 성과로 평가됩니다.

2. 주요 내용

• 핵심 기술 확보 및 세계 최초 관측: 한국핵융합에너지연구원과 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)의 공동연구를 통해, KSTAR 장치에서 붕소 분말을 초고온 플라즈마에 실시간으로 주입하여 핵융합로 내벽으로부터 발생하는 텅스텐 불순물의 생성량이 감소하는 현상을 세계 최초로 관측했습니다. 이는 노심 플라즈마를 보다 안정적으로 제어할 수 있는 가능성을 실험적으로 입증한 것으로, 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심 기술을 확보한 의미 있는 성과입니다.
• 텅스텐 내벽의 중요성과 과제 해결: 텅스텐은 초고온 플라즈마에 직접 노출되는 핵융합 장치 내벽의 차세대 소재로 주목받고 있으며, KSTAR는 2023년에 내부 핵심 부품인 ‘디버터’를 텅스텐 소재로 교체했습니다. 국제핵융합실험로(ITER) 역시 텅스텐 내벽 적용을 추진 중이지만, 고온 플라즈마 운전 시 텅스텐 입자가 플라즈마에 유입될 경우 장치의 운전 안정성과 플라즈마 성능에 악영향을 줄 수 있어 이를 제어하는 기술은 국제적으로 중요한 연구 과제였습니다. 이번 연구는 이 난제를 해결할 획기적인 방법을 제시했습니다.
• 획기적인 실시간 제어 기술 개발: 이번 성과는 붕소 분말을 초고온 플라즈마에 실시간으로 주입함으로써 운전 정지 없이 내벽 상태를 능동적으로 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 플라즈마와 내벽 간의 상호작용을 실시간으로 제어하는 기술에 있어 획기적인 진전을 의미하며, 향후 ITER 및 기타 핵융합로에서 장시간 운전 중 발생하는 텅스텐 불순물을 효과적으로 억제할 수 있는 실질적인 방안을 제시했습니다.
• 한·미 국제 공동연구의 결실: 이번 연구는 KSTAR를 기반으로 한·미 연구진의 긴밀한 협력을 통해 이루어진 국제 공동연구의 중요한 결실입니다. 한·미 양국은 2010년 ‘한·미 핵융합 연구 협력 시행약정’을 체결한 이후 토카막 물리, 플라즈마-내벽 상호작용 제어 연구 등 다양한 분야에서 꾸준히 공동연구를 이어왔습니다. 이러한 장기간의 협력과 신뢰가 축적되어 핵융합의 핵심 기술을 도출한 모범 사례로 평가됩니다.
• KSTAR의 국제 연구 플랫폼 위상 강화: 이번 연구 성과를 통해 KSTAR가 정밀한 운전 능력과 높은 신뢰도를 바탕으로 국제 핵융합 공동연구의 중심 체계(플랫폼)로 확고히 자리 잡았음이 입증되었습니다. KSTAR는 세계 최초로 국제핵융합실험로(ITER)와 동일한 초전도 재료로 제작된 장치로, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하며 국제 핵융합 연구의 핵심 장치로 주목받고 있습니다.
• 학술적 우수성 및 인정: 이번 연구 결과는 국제 핵융합 분야의 권위 있는 학술지인 『Nuclear Fusion』 Vol.65(8월 발행)에 "Wall conditioning effects of boron powder injection in KSTAR with a tungsten divertor"라는 제목으로 게재되어 학계에서도 그 중요성과 우수성을 공식적으로 인정받았습니다. 논문에는 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)의 Hanna Schamis와 한국핵융합에너지연구원(KFE)의 이형호 연구원 등이 주요 저자로 참여했습니다.
• 정부의 지속적인 지원 의지 표명: 과학기술정보통신부 정택렬 공공융합연구정책관은 이번 연구가 국제 공동연구를 통한 기술 강화의 중요성을 잘 보여주는 사례임을 강조하며, 정부가 KSTAR와 같은 국내 기반 시설(인프라)을 활용해 실험 성과를 지속적으로 확보하고 이러한 성과들이 핵융합에너지 실현 가속화와 향후 핵융합 연구의 주도적 역할을 위한 핵심 기술 확보로 이어질 수 있도록 적극 지원하겠다고 밝혔습니다.

3. 배경 및 목적

핵융합 에너지는 태양 에너지의 원리인 핵융합 반응을 지구에서 인공적으로 구현하여 무한하고 청정한 미래 에너지원으로 활용하기 위한 연구입니다. 핵융합 반응은 원자핵과 전자가 분리되어 자유롭게 움직이는 물질의 네 번째 상태인 '플라즈마'에서 일어나며, 핵융합 장치 내에서 초고온의 플라즈마를 안정적으로 장시간 운전하는 것이 핵융합 기술 개발의 핵심 과제입니다.

핵융합 장치의 내벽은 수억 도에 달하는 초고온 플라즈마에 직접 노출되기 때문에, 열에 매우 강한 텅스텐이 차세대 내벽 소재로 주목받고 있습니다. 한국의 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 2023년에 내부의 핵심 부품인 '디버터'(핵융합로에서 초고온 플라즈마 운전 시 발생하는 강한 열속으로부터 진공 용기를 보호하고 플라즈마의 불순물을 배출하는 장치)를 텅스텐 소재로 교체했으며, 한국, 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본 등 핵융합 선진 7개국이 공동으로 개발·건설 중인 국제핵융합실험로(ITER) 역시 텅스텐 내벽 적용을 추진하고 있습니다. 그러나 고온 플라즈마 운전 시 텅스텐 입자가 플라즈마에 유입될 경우, 장치의 운전 안정성과 플라즈마 성능에 심각한 영향을 줄 수 있어 이를 효과적으로 제어하는 기술은 국제적으로 매우 중요한 연구 과제로 인식되어 왔습니다. 이번 한·미 공동연구의 주요 목적은 이러한 텅스텐 불순물 문제를 해결하고, 핵융합로의 노심 플라즈마를 보다 안정적으로 제어할 수 있는 핵심 기술을 확보함으로써 핵융합에너지 상용화를 앞당기는 데 있습니다. 또한, KSTAR를 기반으로 한 국제 공동연구를 통해 한국이 핵융합 연구 분야에서 선도적인 역할을 수행하고 기술적 우위를 확보하는 데 기여하는 것도 중요한 목적입니다.

4. 세부 추진 내용

이번 연구는 한국핵융합에너지연구원(KFE)과 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)의 긴밀한 협력을 통해 진행되었습니다. 연구진은 한국의 초전도핵융합연구장치 KSTAR에 붕소(Boron) 분말을 초고온 플라즈마에 실시간으로 주입하는 실험을 수행했습니다. 이 실험은 KSTAR가 2023년에 디버터를 텅스텐 소재로 교체한 이후 진행된 것으로, 텅스텐 내벽에서 발생하는 불순물 문제를 해결하기 위한 구체적인 방법론을 제시했습니다.

핵심적인 성과는 운전 정지 없이 붕소 분말 주입을 통해 내벽으로부터 나오는 텅스텐 불순물의 생성량이 감소하는 현상을 세계 최초로 관측하고, 이를 통해 노심 플라즈마의 안정성이 개선됨을 실험적으로 입증한 것입니다. 이는 실시간 플라즈마-내벽 상호작용 제어 기술의 획기적인 진전을 의미합니다. 한·미 양국은 2010년 6월 '한·미 핵융합 연구 협력 시행약정(IA)'을 체결한 이래 2012년 9월 공동연구 부속서(Project Annex)를 체결하는 등 토카막 물리, 플라즈마-내벽 상호작용 제어 연구 등 다양한 분야에서 꾸준히 공동연구를 이어왔습니다. 구체적으로는 미국 UCLA, PPPL 등 전문가들의 KSTAR 실험 참여(2008년~), PPPL 내 KSTAR 원격 실험 데이터 저장시설 구축(2021년~), KSTAR와 미국 General Atomics社의 DIII-D 장치(토카막 방식 핵융합 시설) 공동 실험 및 데이터 유효성 검증(2023년~), ORNL(오크릿지 국립연구소)과의 실증로 디버터 연구를 위한 플라즈마 해석 연구(2023년~), 미국 MIT와의 핵융합로용 고온초전도 자석 설계 기술 공동연구(2025년~) 등 광범위한 협력이 이루어지고 있습니다. 이번 연구는 이러한 장기간의 협력과 신뢰가 축적된 결과이며, 한국핵융합에너지연구원의 이형호 연구원과 프린스턴플라즈마물리연구소의 Hanna Schamis가 주요 저자로 참여했습니다.

5. 기대 효과

이번 연구 성과는 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심 난제 중 하나인 텅스텐 불순물 제어 기술을 획기적으로 발전시켰다는 점에서 매우 큰 기대 효과를 가집니다. 특히, 국제핵융합실험로(ITER)와 같이 텅스텐 내벽을 사용하는 미래 핵융합로에서 장시간 운전 중 발생하는 텅스텐 불순물을 운전 정지 없이 억제할 수 있는 실질적인 해결책을 제시함으로써, ITER의 성공적인 운영과 핵융합 발전소 건설에 필수적인 기술적 기반을 제공할 것입니다. 이는 핵융합 상용화 시기를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 예상됩니다. 또한, KSTAR가 정밀한 운전 능력과 높은 신뢰도를 바탕으로 국제 핵융합 공동연구의 핵심 플랫폼임을 다시 한번 입증함으로써, 한국이 핵융합 연구 분야에서 국제적 리더십을 강화하고 주도적인 역할을 수행하는 데 중요한 발판을 마련했습니다. 궁극적으로는 안정적이고 효율적인 핵융합 에너지 생산 기술 확보를 통해 미래 에너지 안보에 기여하고, 인류에게 지속 가능한 청정 에너지를 제공하는 데 이바지할 것입니다. 이 기술의 수혜 대상은 핵융합 연구를 진행하는 전 세계 연구기관 및 미래 핵융합 에너지의 혜택을 받을 모든 인류가 될 것입니다.

6. 향후 계획

과학기술정보통신부는 이번 성과를 바탕으로 앞으로도 초전도핵융합연구장치(KSTAR)와 같은 국내 핵심 인프라를 적극적으로 활용하여 핵융합 기술 개발을 위한 실험 성과를 지속적으로 확보해 나갈 계획입니다. 정부는 이러한 연구 성과들이 핵융합에너지 실현을 가속화하고, 향후 핵융합 연구 분야에서 한국이 주도적인 역할을 수행하는 데 필요한 핵심 기술을 확보할 수 있도록 적극적인 지원을 아끼지 않을 것이라고 밝혔습니다. 또한, 이번 연구 결과가 국제 학술지에 게재된 만큼, 후속 연구를 통해 붕소 분말 주입 기술의 최적화 및 다른 핵융합 장치로의 적용 가능성을 탐색하며, 국제 공동연구를 더욱 확대해 나갈 것으로 예상됩니다. 이를 통해 핵융합 상용화를 위한 기술적 난제를 해결하고, 궁극적으로는 핵융합 발전소 건설 및 운영에 필요한 핵심 기술을 완성하는 데 기여할 것입니다.